ЖИЗНЬ НА ГРАНИЦЕ ЖИЗНИ

Микробы живут везде, они освоили на нашей планете места, совершенно непригодные для всякой прочей жизни. Крошечных первопроходцев микробиологи находят в Арктике и Антарктике, в пещерах и на дне океана, в горячих вулканических источниках и соляных озерах. Следующий этап - изучение находок в лабораториях, в колбах и пробирках. Специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь" Н. Маркина побывала в Институте микробиологии Российской академии наук и побеседовала с членом-коррес пондентом РАН Валерием Федоровичем Гальченко .

ШЕСТЬ МЕТРОВ ЛЬДА - НЕ ПОМЕХА ДЛЯ ФОТОСИНТЕЗА

Лагерь исследователей на озере Хоарэ (Ледник Канадский, американская станция "МакМёрдо").

"Вечно" покрытое льдом озеро Хоарэ.

Бурение и протаивание лунок во льду озера Хоарэ.

"Вечно" покрытые льдом антарктические озера. Вверху: озеро Фрискель (район станции "Мак-Мёрдо"). На заднем плане виден действующий вулкан Эребус. Внизу: озеро Белые Дымы (район станции "Бангер Хиллс").

Бактериальный мат из озера Удивительное (Восточная Антарктида, станция "Бангер Хиллс", Россия).

Пробы, отобранные стратометром в озере Фриксель.

"Черный курильщик" - глубоководная гидротерма (Тихий океан, район Гуаймас, фото сделано членами экипажа спускаемого аппарата "Мир").

Глубоководный спускаемый аппарат "Пайсис" (Охотское море).

Для функционирования белков и нуклеиновых кислот - основных элементов углеродной жизни - требуются соответствующие условия. Поэтому известные на Земле живые существа могут обитать только в определенных физико-химических границах, прежде всего температурных. Вне этих границ жизни нет, а на "приграничной территории" способны существовать только одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра, - прокариоты. В экстремальных природных условиях образуются исключительно микробные сообщества, высшая жизнь туда не допускается.

С нижней температурной границей все более или менее ясно - она обозначена существованием жидкой воды. А вода, если ее соленость очень велика, остается в жидком состоянии даже при минусовой температуре. Такие экстремальные условия можно найти, например, в антарктических озерах.

"Бангер Хиллс" - один из оазисов на периферии ледникового щита Антарктиды. Он назван по имени американского летчика, который во время аэрофотосъемки в 1948 году обнаружил "пятачок" около 20 километров в диаметре с невысокими холмами, свободными ото льда и снега. В 50-х годах на нем высадились советские исследователи. Так появилась летняя антарктическая станция "Бангер Хиллс" в 300 километрах от "Мирного", для вертолета - расстояние небольшое. "Бангер Хиллс", как и другие подобные оазисы, возник благодаря ветру и солнцу. Сильные ветры, порой более 50 метров в секунду, сдувают снежный покров со скал и земли, солнце нагревает темные породы, и лед интенсивно тает. Озера - непременный атрибут ландшафта антарктических оазисов. Здесь есть озера двух типов: одни летом освобождаются ото льда - вскрывающиеся, другие же круглый год подо льдом, летом его толщина уменьшается лишь на метр. "Вечно" покрытые льдом озера есть только в Антарктиде, им около 12-13 тысяч лет. Вода в антарктических озерах самая разная - от почти дистиллированной до сверхсоленой (в три-пять раз солонее океанической). Летом некоторые соленые озера служат аккумуляторами тепла: хотя температура окружающего воздуха редко поднимается выше плюс 5-8 градусов, поверхность воды нагревается до 22-24 градусов! В озерах подо льдом вода может охлаждаться до минус пяти, что становится возможным из-за повышенной солености. "Для микроорганизмов такие условия даже и не назовешь экстремальными, - говорит Валерий Федорович Гальченко. - Но другой жизни здесь практически нет. Правда, в некоторых озерах обнаружили три вида водных мхов, а в самом большом - Фигурном - поймали двух циклопов! Но это - редкие исключения в царстве микробов".

Чтобы взять пробы воды и донных отложений, надо пробурить пяти-шестиметровую толщу льда. Датчики показывают глубину, температуру, соленость, содержание кислорода, а с помощью специальных пробоотборников (батометров и стратометров) исследователь отбирает на нужной глубине порцию воды или донного ила.

В подледном мире обитают все основные типы микроорганизмов. В любом сообществе должны быть автотрофы - созидатели органического вещества, способные синтезировать его почти из ничего. Этот синтез они осуществляют за счет энергии солнечного света или химических реакций - кто как может. Фотосинтез - самый глобальный процесс превращения углерода в биосфере - происходит и подо льдом! В Антарктиде он настолько чист и прозрачен, что даже через шестиметровую толщу проходит какое-то количество света. Совсем немного - всего лишь 2-4 процента, но этого минимального количества фотонов достаточно, чтобы микробы-фотосинтетики синтезировали органические молекулы, например глюкозу, из растворенного в воде углекислого газа, попутно обогатив воду кислородом. За фотосинтез в антарктических озерах отвечают исключительно цианобактерии, или сине-зеленые водоросли. В отличие от зеленых водорослей, которых здесь нет, сине-зеленые - безъядерные прокариоты. Именно они - самые древние живые существа из всех обитателей планеты, истинные пионеры жизни во времени и пространстве. Другая группа бактерий - гетеротрофы, которые питаются созданной автотрофами органикой. Они используют для жизнедеятельности самые разные химические процессы: одни образуют метан, другие его окисляют, третьи восстанавливают сульфаты до серы и сероводорода. В противоположность "синтезаторам" эти бактерии в конечном счете разлагают органику до углекислоты и воды. Ассенизаторам и утилизаторам помогают в работе бактериофаги - вирусы, пожирающие бактерии. Не так давно ученые обнаружили их в антарктических микробных сообществах. Так замыкаются цикл углерода и другие биогеохимические циклы в уникальных экосистемах.

Озерные микроорганизмы могут свободно плавать в толще воды в виде бактерио-планктона либо образуют скопления, так называемые бактериальные маты. Этими матами устлано дно большинства озер, как пол в гимнастическом зале. "Они бывают белые и черные, зеленые и желтые, бурые и ярко-оранжевые, даже фиолетовые и синие - совершенно фантастических расцветок, - рассказывает Валерий Федорович. - Одни образуют тонкую пленку на поверхности ила, другие же достигают десятков сантиметров в толщину. Некоторые на ощупь похожи на мягкий хрящ или губку, другие - слизистые и скользкие. После шторма огромное количество бактериальных матов вскрывающихся озер оказывается на суше, они высыхают и превращаются в пыль. Но в этой пыли сохраняются жизнеспособные споры микроорганизмов, которые разносятся ветрами вплоть до Южного полюса".

В 1991-1992 годах на "Бангер Хиллс" работала международная экспедиция, организованная Институтом Арктики и Антарктики и Институтом микробиологии РАН, с участием российских микробиологов, а также трех американских специалистов. А в 1995-1996 годах В. Ф. Гальченко участвовал в американской экспедиции на станции "Мак-Мёрдо", расположенной в подобном оазисе неподалеку от действующего антарктического вулкана Эребус. Единственный из наших соотечественников, за эту работу он награжден медалью американского конгресса Antarctic Service Medal. Условия на российской и американской станциях, конечно, различаются. На американской есть склад с самым разнообразным оборудованием и реактивами, где можно заранее заказать все необходимое для того, чтобы на месте исследовать большую часть собранных проб. Оборудование американцы заранее завозят морем или по воздуху, что весьма дорого, но облегчает жизнь исследователям. Особенность наших экспедиций - то, что приборы, посуду, реактивы и все для собственной жизни ученому необходимо везти с собой.

НЕКОТОРЫЕ ЛЮБЯТ ПОГОРЯЧЕЕ

От нижней температурной границы жизни поднимемся к верхней ее границе. Для термофильных бактерий вполне комфортна температура свыше 50-70 градусов. Немецким микробиологам удалось найти у берегов Италии микроорганизмы, живущие при 113 градусах (!), на сегодняшний день это - абсолютный рекорд. Хотя, как предполагают ученые, естественный предел жизни - 130-150 градусов (речь идет о микроорганизмах в активном состоянии; когда бактерии превращаются в споры, они выдерживают и больше).

Термофилы нашли себе подходящие условия в горячих источниках - наземных и подводных гидротермах. Российские микробиологи активно изучают бактериальные сообщества в Долине гейзеров на Камчатке. А чтобы исследовать глубоководные гидротермы, приходится спускаться на дно океана на огромные глубины - до 2-6 километров. Гидротермальные флюиды - горячие растворы минеральных соединений - выходят из разломов в океаническом ложе под действием так называемого теплового насоса. Морская вода проникает в трещины земной коры, доходит до мантии и очень сильно нагревается. По другим трещинам в коре она поднимается вверх, по пути вымывая минералы из пород, и выходит наружу. В месте выхода из разлома температура воды может достигать 450 градусов, но она не вскипает! (Это возможно благодаря огромному давлению на дне океана.) Но поскольку горячая вода сразу же смешивается с холодной морской, ее температура довольно быстро падает, и вокруг гидротерм появляется жизнь.

В воде горячее 70 градусов обитают только бактерии. "На глубине нескольких тысяч метров господствует хемосинтетическая жизнь, - рассказывает В. Ф. Гальченко. - Поскольку света там нет, на смену фотосинтезу приходит хемосинтез - второй способ жизнедеятельности автотрофных микроорганизмов. Например, серные бактерии окисляют восстановленные соединения серы (в основном сероводород) с участием растворенного в воде кислорода. Там, где нет кислорода, существуют метанообразующие бактерии, синтезирующие метан из водорода и углекислоты. Энергию химических реакций автотрофы-хемосинтетики применяют для синтеза органическо го вещества, которым питаются бактерии-гетеротрофы. Налицо все составляющие звенья универсальной пищевой цепи.

Там, где вода чуть прохладнее, появляются многоклеточные беспозвоночные животные, которые вступают с бактериями в отношения симбиоза - взаимовыгодного сожительства. Серные и метаноокисляющие бактерии поселяются в организме вестиментифер - своеобразных существ из типа погонофор. Похожие на гигантских червей, до полутора метров длиной, они сидят в прикрепленных ко дну трубках, высовывая наружу "жабры". Внутри этих животных бактериям предоставлен "и стол, и дом". Они размещаются в специальных клетках - бактериоцитах; с кровью хозяина к ним поступают нужные для жизни вещества: кислород, углекислый газ и либо сероводород, либо метан. В крови их гостеприимных хозяев есть гемоглобин (поэтому кровь - красная), который переносит не только кислород, но и сероводород. То есть для микробов созданы все условия! А зачем вестиментиферам это надо? Дело в том, что у них нет рта и пищеварительной системы и бактерии для них - единственный источник питания. Животные обволакивают часть клеток мембранами, переваривают при помощи ферментов и утилизируют бактериальную органику. Получается, что они разводят микробов себе для еды. То же самое делают и некоторые двустворчатые и брюхоногие моллюски, хотя у них есть пищеварительная система: серные и метанотрофные бактерии, живущие у них в жабрах, нужны для дополнительного питания.

Для погружения на дно ученые используют аппараты "Пайсис" и "Мир". Это двухметровые титановые шары с иллюминаторами и манипуляторами. Механические "руки" собирают донных животных и пробы грунта в корзинку, для забора воды служат пробоотборники (батометры). Шесть экспедиций, в которых принял участие В. Ф. Гальченко, исследовали подводные гидротермы в Атлантическом и Тихом океанах: вдоль западного и восточного побережья Америки, в Калифорнийском заливе, в районе Новой Гвинеи.

А КАК ТАМ НА МАРСЕ?

"Антарктические озера и гидротермы можно рассматривать как земные модели вероятностной жизни на Марсе, существовавшей в прошлом или существующей сейчас", - считает Валерий Федорович. Ученые предполагают, что теперешние климатические условия на Красной планете установились где-то около 3 миллиардов лет назад. До этого, скорее всего, марсианский климат был более теплый и мягкий, не препятствующий, хотя бы теоретически, возникновению и существованию жизни. Самое главное, что в то время на планете могла быть жидкая вода в океанах, морях и озерах. Когда стало холоднее и суше, вода постепенно замерзала и испарялась, но кое-где, по всей вероятности, оставались оазисы, подобные тем, что есть в Антарктиде. И в марсианских озерах, сначала вскрывающихся, потом вечно покрытых льдом, могла сохраняться жизнь. Возможно, так было до тех пор, пока озера не промерзли до дна. Если на Марсе когда-нибудь действительно найдут остатки озер, можно ожидать, что в них обнаружат визуальные и геохимические следы прошлой бактериальной жизни.

С другой стороны, на Марсе может существовать вода и в настоящее время, но не на поверхности, а в недрах планеты, где высокая температура позволяет ей оставаться в жидком состоянии. Вулканы и связанные с ними гидротермальные источники - места, где следы глубинных процессов обнаруживаются на поверхности. Поэтому именно здесь следует изучать явления, происходящие в недрах, подобно тому, как анализ крови, взятой из пальца, позволяет судить о состоянии всего организма. Гидротермальные источники могут указать нам на проявления подземной жизни. Вулканы на Марсе присутствуют в изобилии, а если в недрах планеты сохранилась жидкая вода, то не исключено, что есть и глубинные экосистемы.

Изучая на Земле модели гипотетической марсианской жизни, ученые в состоянии предсказать, где именно стоит искать проявления жизни на Красной планете и что можно ожидать найти. Так, теперь мы знаем, что в подледных экосистемах существуют только прокариоты, но возможен фотосинтез. А в подземных экосистемах, так же, как и в подводных, вполне могут обитать бактерии-хемосинтетики, которым нужны лишь вода, углекислый газ и водород либо другое восстановленное химическое вещество.

"За три с половиной миллиарда лет существования на Земле микроорганизмы перепробовали все возможные способы получения энергии, - говорит Валерий Федорович. - Они эффективно используют свет там, где он есть, и самые разные химические реакции там, где света нет. Только термоядерные реакции им не подходят, все же остальное - вполне пригодно для жизни. В этом причина необыкновенной живучести микробов в среде, с нашей точки зрения совершенно ядовитой. Переберите всю таблицу Менделеева, и почти со всеми ее элементами микробы способны ужиться. Они переносят высокие концентрации тяжелых металлов, окисляют мышьяк, разлагают углеводороды нефти, питаются полимерами и портят иллюминаторы космических станций".

Коллекцию таких уникальных микроорганизмов создают ученые в Институте микробиологии РАН. В законсервированном виде, в жидком азоте, экспонаты хранятся и ждут своего часа, когда их необыкновенные свойства будут изучены и найдут применение в нашей жизни.

Фото В. ГАЛЬЧЕНКО.

Источник: www.nkj.ru